Additive Fertigung - Materialentwicklung

Im Rahmen des Verbundvorhabens wird in enger Zusammenarbeit mit dem Unternehmen AIM3D GmbH ein Highspeed-Großraumdrucker zur Verarbeitung von Keramik-Feedstocks im CEM-Verfahren entwickelt.

Es soll ein additiver Fertigungsprozess entwickelt werden, der es industriellen Anwendern erstmals ermöglicht, einige große bzw. viele kleine keramische Bauteile parallel herzustellen. Im

Gegensatz zur konventionellen Fertigung können somit bereits die Kosten bei kleinen

Stückzahlen drastisch gesenkt werden. Darüber hinaus ermöglicht der additive Herstellungsprozess Formgebungen, die bisher gar nicht oder nur mit großem Aufwand realisierbar waren, wie z.B. Hohlräume oder spezielle Infill-Strukturen zur Gewichtsreduzierung.

Das Verbundvorhaben lässt sich in drei Aufgabenpakete untergliedern:

• Feedstockentwicklung, -herstellung und -erprobung
• CEM-3D-Druckparameterentwicklung und Bauteilfertigung
• Umsetzung eines intelligenten Druckkopfes

Im Rahmen der Druckparameterentwicklung werden kommerzielle CIM-Feedstocks am Markt auf deren Verarbeitbarkeit untersucht. Neben der Analyse der gedruckten Bauteile wird das Entbinderungs- sowie das Sinterverhalten der unterschiedlichen Materialien untersucht. Des Weiteren wird neben der Verwendung von konventionellen CIM-Feedstocks am Lehrstuhl ein eigener keramischer Feedstock entwickelt und mit verschiedenen mechanischen Prüfverfahren getestet.

Ziel dieser Untersuchungen ist ein stabiler Druckprozess von praxistauglichen Bauteilen mit geforderten geometrischen und mechanischen Eigenschaften. Zudem erfolgen theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Weiterentwicklung eines Druckkopfes für das CEM-Verfahren.  

Bearbeiter:Tim Dreier M.Sc.

Projektlaufzeit: 10/2019 - 02/2023

Gefördert: Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Gesundheit (M-V), Operationelles Programm für den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung in Mecklenburg-Vorpommern in der Förderperiode 2014 bis 2020 (EFRE-OP M-V)

Verbundpartner: AIM3D GmbH

Die Untersuchungen in diesem Teilprojekt (B01) des SFB Elaine konzentrieren sich auf die Herstellung elektrisch aktiver Implantate für die Knochen- und Knorpelregeneration mittels additiver Fertigungstechnologie. Die Implantate für den Knochenersatz werden in speziellen Verfahren für die unterschiedlichen Verwendungszwecke hergestellt. Für den lasttragenden Bereich, bspw. Hüftendoprothesen, sind Implantate aus einer biokompatiblen Titanlegierung vorgesehen, welche gezielt Strukturen für ein verbessertes mechanisches Verhalten und das Einwachsen des Knochens tragen. Darüber hinaus werden die Implantate mit einem neuartigen leitfähigen Polymer mit inkorporierten Bioglass© Partikeln beschichtet, umso die elektrische Aktivität am Implantat-Knochen-Interface zu erhöhen. Für den nicht lasttragenden Bereich werden Implantate aus Bariumtitanat und Bioglass© entwickelt. Diese sollen durch Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes das natürliche Knochenwachstum fördern und so das Einwachsen der Implantate verbessern. Für die Knorpelregeneration werden neuartige mit elektrisch leitfähigem Polymer inkorporierte Hydrogel-Scaffolds additiv gefertigt und mit Zellen besiedelt. Dieser Verfahrensschritt wird vom engen Kooperationspartner, dem Lehrstuhl Biomaterialien der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, durchgeführt. Darüber hinaus bringt die Arbeitsgruppe aus Erlangen erhebliche Expertise im Umgang mit Bioglass© Partikeln in das Projekt ein. Die in B01 gefertigten Scaffolds stellen die Basis für die Arbeiten weiterer Arbeitsgruppen innerhalb des Forschungsverbundes ELAINE dar.

Bearbeiter:Christian Polley M.Sc.

Projektlaufzeit: 07/2017 - 12/2025

Ziel im Teilprojekt (C02) des SFB Elaine ist es, den Einfluss von elektrischer und mechanischer Stimulation auf die chondrogene Differenzierung von menschlichen Knorpelzellen und mesenchymalen Stammzellen zu analysieren. Dieses Teilprojekt wird in Zusammenarbeit mit dem Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie der Universitätsmedizin Rostock durchgeführt. Die im Teilprojekt B01 entwickelten Scaffolds dienen hier unter anderem als Gerüst für die Kultivierung von Knorpelzellen. Für die experimentiellen Untersuchungen wird eigens eine 3D- Stimulationskammer entwickelt, die es ermöglicht, eine elektrische oder mechanische Stimulation oder sogar eine Kombination beider Stimulationsarten aufzubringen. Zentrale Fragestellungen beinhalten die Ermittlung der Konfiguration der Elektroden und die Implementierung der mechanischen Aktorik für die Scher- und Druckbelastung der Zellen. Darüber hinaus wird ein Protokoll für die elektrische und mechanische Stimulation entwickelt, das zu einer optimierten Proliferation und Differenzierung der Knorpelzellen und mesenchymalen Stammzellen führt. Zusätzlich soll ein umfassendes „multiphysics“- Simulationsmodell erstellt werden, das die Stimulationsprozesse (elektrisch und mechanisch) und die Wirkung auf die Zellen (z.B. Scherbelastung) abbildet und zu einem besseren Verständnis der mechanischen und bioelektromagnetischen Stimulationsvorgänge beiträgt. Langfristig soll hiermit die Optimierung der ex vivo 3D-Kultivierung von Knorpelzellen und mesenchymalen Stammzellen mittels elektrischer und mechanischer Stimulation im Rahmen der autologen Knorpelzellimplantation unter Verwendung eines kollagen- und hydrogelbasierten 3D-Implantats (Scaffolds) umgesetzt werden.

Bearbeiterinnen:Nada Abroug M.Sc.

Projektlaufzeit: 07/2017 - 12/2025

Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung von Drug-Delivery-Systemen (DDS) mit zeitlich steuerbarer Wirkstofffreisetzung. Diese sollen das implantatbasierte, lokale Verabreichen von Wirkstoffen und Wirkstoffkombinationen mit konkreten vorgegebenen Freisetzungsmechanismen ermöglichen. Zur Herstellung dieser DDS bedarf es eines neuen 3D –Druckverfahrens, welches aus der Kombination aus Mikrostereolithographie und Inkjet-Technologie hervorgehen wird. Mit diesem Verfahren soll der Grundkörper eines Implantates über die stereolithographische Vernetzung erzeugt und im selben Prozess die Wirkstoffbeladung über Inkjet-Module erfolgen. Die entstandenen Drugdepots ermöglichen eine gesteuerte und vorhersagbare Wirkstofffreisetzung, da Eigenschaften, wie die Wirkstoffkonzentration, während des Prozesses angepasst werden können.

Die Bearbeitung des Projektes erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Institut für Biomedizinische Technik der Universität Rostock.

Bearbeiter: M.Sc. Jan Konasch

Projektlaufzeit: 01.09.2017 - 31.08.2019

Das Composite Extrusion Modeling (CEM) ist ein additives Fertigungsverfahren unter Verwendung von granularen, aus dem Pulverspritzgießen bekannten Ausgangsmaterialien. Durch angeschlossene Entbinder- und Sinterprozesse können so metallische und keramische Bauteile additiv gefertigt werden

Im Rahmen des Projektes sollen für das CEM-Verfahren optimierte Feedstocks auf Basis eines Polyamid-Bindersystems entwickelt werden. Ziel ist die erstmalige Fertigung von Reinkupfer- und Kaltarbeitsstahlbauteilen mit einem additiven Fertigungsverfahren. Durch Modellbildung, die die Zusammenhänge zwischen den beeinflussbaren Prozess- und Werkstoffparametern und deren Einfluss auf das Endprodukt beschreibt, soll eine systematische Entwicklung eines Gesamtverfahrens realisiert werden.

Mit der Entwicklung einer keramischen, nach dem Sinterprozess in Pulverform vorliegenden Trennschicht wird das Ziel verfolgt, das bei vielen 3D-Druck-Verfahren notwendige manuelle bzw. spanende Abtrennen der Stützstrukturen zu vermeiden.

Bearbeiter: Erik Sebastian Schmidt M.Sc.

Projektlaufzeit: 02/2019 - 11/2022

Gefördert: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Kooperationspartner: MiMtechnik GmbH, Schmalkalden

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines additiven Fertigungsverfahrens (3D-Druckverfahren) zur Herstellung von metallischen Bauteilen (Composit Extrusion Modeling). Zunächst werden mittels eines kostengünstigen Extrusionsprozesses - ähnlich dem Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren - additiv Grünteile aus einem metallischen Kompositmaterial gefertigt. Die Teile werden im Anschluss aus dem 3D-Drucker entnommen und in einem Sinterofen gesintert. Auf diese Weise entsteht ein fester metallischer Materialverbund. Da sich weder herkömmliche FDM-Geräte noch die bekannten Kompositmaterialien für einen derartigen Prozess eigenen, wird in Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner sowohl ein Extrusionssystem bestehend aus Druckkopf und Materialzufuhr als auch ein geeignetes Kompositmaterial entwickelt.

Bearbeiter: Clemens Lieberwirth M.Sc.

Laufzeit: 03/2015 - 31.08.2017

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Koorperation: Bernhardt Kunststoffverarbeitung GmbH 3dk.berlin